高爐瓦斯灰焙燒球團(tuán)的機(jī)械性能研究

李 志，伍成波，郭秀鍵

(1.中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司，重慶 401122 ；2.重慶賽迪熱工環(huán)保工程技術(shù)有限公司，重慶 401122；3.重慶大學(xué)，重慶 400045)

隨著我國鋼鐵工業(yè)的快速發(fā)展，鋼鐵產(chǎn)量不斷提高，鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的粉塵對(duì)環(huán)境的影響也日益加重。根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)，2018年我國粗鋼產(chǎn)量為9.28億t，一般來說鋼鐵企業(yè)的粉塵產(chǎn)量約為鋼產(chǎn)量的8%～10%，即2018年我國鋼鐵工業(yè)粉塵量約為9 200萬t[1-2]。這些粉塵中包含大量的鐵元素，并且還含有鋅、鉀、鈉和碳等元素[3]。冶金粉塵應(yīng)該得到合理的回收利用，若處理不當(dāng)，不僅造成資源浪費(fèi)，而且還將對(duì)環(huán)境造成污染。通常條件下，鋼鐵企業(yè)收集冶金粉塵后作為燒結(jié)原料來生產(chǎn)燒結(jié)礦，但是這些粉塵不僅會(huì)影響燒結(jié)生產(chǎn)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，還會(huì)造成鋅和堿金屬在高爐內(nèi)部循環(huán)富集，增加高爐鋅負(fù)荷，影響高爐生產(chǎn)順行[4-5]。

Zhong Y W[6]通過熱重分析研究了高爐灰的燃燒反應(yīng)，并分析了動(dòng)力學(xué)，得出了熱化學(xué)轉(zhuǎn)化率和高爐灰成分。Lanzerstorfer C[7]比較了不同鋼廠產(chǎn)出的高爐瓦斯灰的機(jī)械性能，發(fā)現(xiàn)隨著應(yīng)力的增大，摩擦角逐漸減小直到消失。丁娟[8]以高爐瓦斯灰和轉(zhuǎn)爐污泥為原料制備含碳球團(tuán)，考察了焙燒條件的影響，并且測得其抗壓強(qiáng)度。裴元東[9]研究了瓦斯灰成分與催化劑混合配比對(duì)燒結(jié)的影響。

本研究測定了高爐瓦斯灰各組分的化學(xué)成分、含水率、堆密度及粒度組成。與生石灰以不同比例混合成球后進(jìn)行焙燒實(shí)驗(yàn)并測其球團(tuán)強(qiáng)度。分析了混合料配比、焙燒溫度及溫度制度、球團(tuán)烘干情況和混合料堿度對(duì)球團(tuán)強(qiáng)度的影響，大大提高了工業(yè)生產(chǎn)效益。

1 實(shí)驗(yàn)步驟及設(shè)備

首先進(jìn)行瓦斯灰的基礎(chǔ)特性檢測，根據(jù)樣品測得的化學(xué)成分、含鋅量、含碳量等數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確稱取相應(yīng)的樣品，各種樣品稱量完畢后，添加不同比率的生石灰進(jìn)行混料，混料分兩步進(jìn)行。首先一次混料，干混混合，直至混勻。然后進(jìn)行二次混料，加水再次混勻，水量加至適宜程度，在輥式壓球機(jī)上壓球。按實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的要求，將焙燒爐的溫度升到設(shè)定的溫度，同時(shí)調(diào)整好爐膛的煙氣成分，準(zhǔn)備焙燒。將烘干后的球團(tuán)按實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的要求裝入料欄中，打開爐門，將料欄送入焙燒爐中，開始計(jì)時(shí)，同時(shí)將兩支熱電偶從焙燒爐的頂部插入料欄中，分別測定料層上表面的溫度和料層下表面的溫度。關(guān)閉爐門進(jìn)行焙燒，當(dāng)達(dá)到焙燒要求后，取出料欄，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下進(jìn)行冷卻至300 ℃以下。對(duì)冷卻后的焙燒球團(tuán)取樣進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試和成分分析。實(shí)驗(yàn)步驟如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)材料準(zhǔn)備及焙燒步驟

實(shí)驗(yàn)中，壓球采用對(duì)輥壓球機(jī)，滾球采用設(shè)備為圓盤造球機(jī)。為了模擬爐料在轉(zhuǎn)底爐內(nèi)的加熱過程，在加熱的同時(shí)向爐內(nèi)通入燃燒后的煙氣來模擬轉(zhuǎn)底爐的氣氛。因此，焙燒設(shè)備采用電加熱和高溫?zé)煔饧訜峁餐瓿?，用電加熱來控制溫度，用天然氣燃燒產(chǎn)生的煙氣來控制爐膛內(nèi)的氣氛。

2 瓦斯灰的特性分析

采用ICP分析對(duì)實(shí)驗(yàn)用瓦斯灰各成分進(jìn)行了分析，結(jié)果如表1所示。各種冶金粉塵的含水率及堆密度測試結(jié)果如表2和表3所示。

表1 冶金粉塵的成分分析結(jié)果(干基成分) %

表3 樣品的堆密度

各種粉塵的粒度分布情況如圖2所示，通過率如圖3所示。由圖2～圖3可見，實(shí)驗(yàn)使用的旋風(fēng)灰的粒度主要集中在300 μm以下。100 μm的通過率為40%左右，300 μm的通過率為95%。其中100～125 μm占比約20%，其中250～300 μm占比約23%。一次灰的粒度主要集中在100 μm以下。100 μm的通過率為接近90%，74 μm的通過率為78.55%，44 μm的通過率為62.66%。粒度分布比較集中在44～100 μm，其占比約31%；其中2～5.5 μm的量也較多，占比約21%。

圖2 各種粉塵粒度分布情況

圖3 各種粉塵通過率

脫磷灰的粒度主要集中在88 μm以下。88 μm的通過率已超過90%，74 μm的通過率為87.93%，44 μm的通過率為72.56%。粒度分布比較集中在18～60 μm，其占比約44%。脫碳灰的粒度主要集中在100 μm以下。100 μm的通過率已超過90%，74 μm的通過率為82.48%，44 μm的通過率為64.27%。粒度分布比較集中在26～74 μm，其占比約40%。爐前灰的粒度主要集中在44 μm以下。44 μm的通過率已超過90%，74 μm的通過率為99.15%，44 μm的通過率為91.48%。粒度分布比較集中在5～22 μm，其占比約47%。CDQ灰的粒度主要集中在700 μm以下。700 μm的通過率已超過90%，500 μm的通過率為74%左右。粒度分布比較集中在250～600 μm，其占比約57%。CDQ灰與旋風(fēng)灰的粒度普遍大于其他成分，且其他成分粒度相差不大，而粒度越大的通過率越高。

3 焙燒實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

金屬化球團(tuán)的強(qiáng)度研究應(yīng)該以金屬化球團(tuán)不會(huì)發(fā)生空殼粉化為前提條件，因此，金屬化球團(tuán)強(qiáng)度的研究，以表2和表3的物料，按表4混合配比為基礎(chǔ)，討論混合料配比、焙燒溫度及溫度制度、是否烘干等因素對(duì)金屬化球團(tuán)強(qiáng)度的影響。

3.1 混合料配比對(duì)球團(tuán)強(qiáng)度的影響

為了比較混合料配比對(duì)金屬化球團(tuán)強(qiáng)度的影響，本次實(shí)驗(yàn)采用相同粘接劑、相同焙燒溫度及溫度制度、入爐球團(tuán)烘干，球團(tuán)的混合料配比不同。

實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果如表4、圖4和圖5所示。其中B3-1工況的樣品配比與B4-1-1工況的樣品配比相比，B3-1工況的樣品配比中新增加了高爐布袋灰，比例為26%，相應(yīng)的高爐旋風(fēng)灰的比例由42%降低到了18%，高爐爐前灰的比例由28%降低到了26%，煉鋼一次灰、脫磷灰和脫碳灰的比例保持不變。

圖4 混合料配比對(duì)球團(tuán)強(qiáng)度的影響

圖5 高旋風(fēng)灰配比時(shí)金屬化球團(tuán)的強(qiáng)度

表4 混合料配比對(duì)球團(tuán)強(qiáng)度的影響

三種混合料配比下，金屬化球團(tuán)強(qiáng)度差異非常大，旋風(fēng)灰的配比為56%時(shí)，金屬化球團(tuán)表面結(jié)殼、內(nèi)部呈粉末狀，球團(tuán)強(qiáng)度小于500 N；當(dāng)減少旋風(fēng)灰的配比，同時(shí)添加爐前灰時(shí)，金屬化球團(tuán)內(nèi)部呈粉末狀的現(xiàn)象基本消失，但球團(tuán)強(qiáng)度仍不高，球團(tuán)強(qiáng)度在1 000 N左右；進(jìn)一步減少旋風(fēng)灰的配比，同時(shí)添加高爐布袋灰時(shí)，金屬化球團(tuán)強(qiáng)度明顯提高，說明高爐布袋灰的加入，對(duì)提高金屬化球團(tuán)強(qiáng)度有利。

3.2 焙燒溫度及溫度制度的影響

為了比較焙燒溫度及溫度制度的影響對(duì)金屬化球團(tuán)強(qiáng)度的影響，本次實(shí)驗(yàn)采用相同粘接劑、兩種混合料的配比，入爐球團(tuán)烘干，球團(tuán)的焙燒溫度及溫度制度不同。

實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果如表5和圖6所示。B3-1工況采用多段溫度制焙燒，即溫度為1 150 ℃時(shí)放入球團(tuán)焙燒7 min后，將溫度升到1 270 ℃再焙燒7 min，然后再將溫度升到1 300 ℃再焙燒8 min后出爐，總的焙燒時(shí)間22 min；B3-2工況采用一段溫度制焙燒，即溫度為1 270 ℃時(shí)放入球團(tuán)直接焙燒22 min后出爐。B4-1-1工況也采用多段溫度制焙燒，溫度制度與B3-1工況相同；B4-2工況的溫度制度與B3-2工況相同。

表5 焙燒溫度及溫度制度對(duì)球團(tuán)強(qiáng)度的影響

圖6 焙燒溫度及溫度制度對(duì)球團(tuán)強(qiáng)度的影響

兩種焙燒溫度制度下，金屬化球團(tuán)強(qiáng)度差異不大，而混合料配比影響更大，進(jìn)一步證明了混合料配比對(duì)金屬化球團(tuán)強(qiáng)度的影響是主要的。當(dāng)焙燒溫度超過1 270 ℃后，提高焙燒溫度對(duì)提高金屬化球團(tuán)強(qiáng)度意義不大。

3.3 球團(tuán)烘干的影響

由于混合料中加入高爐布袋灰后，球團(tuán)以未烘干球入爐會(huì)發(fā)生爆裂，因此，加入高爐布袋灰后的球團(tuán)必須烘干入爐。為討論球團(tuán)烘干的影響，以上述混合料配比為基礎(chǔ)進(jìn)行討論，本次實(shí)驗(yàn)采用相同粘接劑、混合料的配比相同，球團(tuán)的焙燒溫度及溫度制度也相同。入爐球團(tuán)烘干與不烘干進(jìn)行比較，實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果如表6和圖7所示。

圖7 球團(tuán)烘干對(duì)球團(tuán)強(qiáng)度的影響

表6 球團(tuán)烘干對(duì)球團(tuán)強(qiáng)度的影響

由數(shù)據(jù)可知，球團(tuán)烘干入爐對(duì)提高金屬化球團(tuán)強(qiáng)度更有利。因此，在轉(zhuǎn)底爐工藝設(shè)計(jì)中，如果使用金屬化球團(tuán)的后續(xù)工藝對(duì)金屬化球團(tuán)強(qiáng)度要求高，建議球團(tuán)還是烘干入爐。

3.4 混合料堿度對(duì)球團(tuán)強(qiáng)度的影響

前面討論了混合料的配比對(duì)金屬化球團(tuán)強(qiáng)度的影響，得出了混合料的配比對(duì)金屬化球團(tuán)的強(qiáng)度有重要影響的結(jié)論。但混合料配比影響金屬化球團(tuán)強(qiáng)度的機(jī)理需要進(jìn)一步討論。表面上看，減少旋風(fēng)灰配比，同時(shí)添加爐前灰對(duì)和高爐布袋灰，對(duì)提高金屬化球團(tuán)強(qiáng)度有利，得出的結(jié)論是高爐布袋灰的加入，對(duì)提高金屬化球團(tuán)強(qiáng)度有利。但實(shí)質(zhì)是否如此，需要進(jìn)行討論。

改變混合料的配比，實(shí)質(zhì)是改變了混合料的成分組成，而混合料的堿度是衡量混合料組成特性的一個(gè)重要指標(biāo)，因此，有必要討論混合料的堿度對(duì)金屬化球團(tuán)強(qiáng)度的影響。實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果如表7和圖8所示。

表7 混合料堿度對(duì)球團(tuán)強(qiáng)度的影響

圖8 混合料堿度對(duì)球團(tuán)強(qiáng)度的影響

混合料堿度的影響總規(guī)律為：混合料堿度越高，金屬化球團(tuán)強(qiáng)度越低，當(dāng)混合料堿度大于0.86后，金屬化球團(tuán)出現(xiàn)空殼粉化現(xiàn)象。比較B1-2工況和B4-1工況可知，兩個(gè)工況的旋風(fēng)灰配比相同，但堿度不同，所得結(jié)果差異很大，說明旋風(fēng)灰的配比對(duì)金屬化球團(tuán)強(qiáng)度的影響不是主要的。比較E2工況和E3工況，兩個(gè)工況旋風(fēng)灰的配比差異很大，但金屬化球團(tuán)的強(qiáng)度差異不是特別的大，進(jìn)一步證明了旋風(fēng)灰的配比對(duì)金屬化球團(tuán)強(qiáng)度的影響不是主要的。比較B4-1工況和E3工況可知，兩個(gè)工況的爐前灰配比相同，但堿度不同，所得金屬化球團(tuán)的強(qiáng)度差異很大，說明爐前灰的配比對(duì)金屬化球團(tuán)強(qiáng)度的影響也不是主要的。比較B4-1工況、E2工況和B3-2工況可知，三個(gè)工況的一次灰配比相同，但堿度不同，所得金屬化球團(tuán)的強(qiáng)度差異很大，說明一次灰的配比對(duì)金屬化球團(tuán)強(qiáng)度的影響也不是主要的。比較E2工況、E3工況和B3-2工況可知，三個(gè)工況的金屬化球團(tuán)的強(qiáng)度均較好，表面上看是由于布袋灰的加入提高了金屬化球團(tuán)的強(qiáng)度，但實(shí)質(zhì)是由于布袋灰的加入降低了混合料的堿度，從而提高了金屬化球團(tuán)的強(qiáng)度。三個(gè)工況的金屬化球團(tuán)的強(qiáng)度差異很大，說明混合料降低的影響是非常明顯的?？傊?，混合料配比對(duì)金屬化球團(tuán)強(qiáng)度的影響，不能單考慮某個(gè)粉塵配比的改變對(duì)強(qiáng)度的影響，而應(yīng)該綜合考慮混合料配比改變后對(duì)混合料堿度的影響，通過調(diào)整混合料配比來控制混合料的堿度，本次實(shí)驗(yàn)證明了高堿度會(huì)降低金屬化球團(tuán)的強(qiáng)度，建議混合料的二元堿度控制在0.8以內(nèi)。

4 結(jié) 論

(1)測定了高爐瓦斯灰各組分的化學(xué)成分、含水率、堆密度及粒度組成。

(2)樣品配比為26%高爐布袋灰、18%高爐旋風(fēng)灰、26%高爐爐前灰、20%煉鋼一次灰、4%脫磷灰和6%脫碳灰。此時(shí)球團(tuán)強(qiáng)度明顯提高。

(3)不同焙燒溫度制度下，金屬化球團(tuán)強(qiáng)度差異不大。當(dāng)焙燒溫度超過1 270 ℃后，提高焙燒溫度對(duì)提高金屬化球團(tuán)強(qiáng)度意義不大。

(4)球團(tuán)烘干入爐對(duì)提高金屬化球團(tuán)強(qiáng)度更有利。在轉(zhuǎn)底爐工藝設(shè)計(jì)中，如果使用金屬化球團(tuán)的后續(xù)工藝對(duì)金屬化球團(tuán)強(qiáng)度要求高，建議球團(tuán)烘干入爐。

(5)高堿度會(huì)降低金屬化球團(tuán)的強(qiáng)度，建議混合料的二元堿度控制在0.8以內(nèi)。